面向项目需求的物联网工程人才培养模式研究

侯跃恩，邓嘉明，罗志坚，陈广明，郑奕迅

（嘉应学院 1.广东省山区特色农业资源保护与精准利用重点实验室；2.计算机学院； 3.信息网络中心，广东 梅州 514015）

物联网工程是一门新兴的、综合性较强的交叉学科，涵盖了计算机科学与技术、电子工程技术、自动化技术、大数据、人工智能等学科方向的内容［1］.

随着科技的发展，我国物联网产业规模不断壮大.在2018年中央经济工作会议上，首次提出“新基建”的概念，物联网基础设施建设是其中的重要内容之一［2］. 2018、2019和2020年我国物联网总产值分别为14 300亿元、17 732亿元和22 165亿元［3］.可见，物联网产值是保持稳步上升趋势的.人力资源和社会保障部2020年4月发布的《新职业——物联网工程技术员就业景气现状分析报告》指出，物联网已在智慧医疗、智能家居、智能制造、智能交通、智能农业等领域得到较好应用，目前我国物联网行业从业人口约为200万人，预计未来10年复合年均增速将保持在20%左右［4］.

与巨大的产业规模形成鲜明对比的是，全国高校每年培养物联网专业毕业生约10万人，需求和供给严重不符，特别是应用型物联网人才供给不足给我国的物联网产业发展带来了很大地制约.作为一个新专业，2010年7月，北京理工大学、哈尔滨工业大学等30所高校成为我国首批获准开设物联网工程专业的高校.不同高校对物联网工程专业人才培养目标有不同的理解，如北京理工大学和哈尔滨工业大学等高校在计算机学院开设该专业，广东工业大学和重庆邮电大学等高校在自动化学院开设该专业，郑州科技学院和龙岩学院等高校在信息工程学院开设该专业.目前，我国高校的物联网专业建设在师资、教材、实践基地等方面的建设还有许多的不足.用人单位多反映物联网专业学生较缺乏物联网思维、理论知识与实际项目需求脱节、应用能力较弱.

面对物联网行业对毕业生的需求，研究人员对物联网工程专业的人才培养模式进行了一系列的探讨.苏晓光等在新工科背景下对物联网专业的教学观念、课程体系和教师队伍建设等方面进行研究［5］.田新志等从“无线传感器网络与实践”课程案例为出发点，提出了一种基于CDIO框架的项目化、启发式的教学方法［6］.余发军等探索了一种的物联网自适应实践教学模式，设计多学科交叉融合的课程体系，制定培养创新能力的教学方案［7］.樊俊青等对以培养目标、课程设置、实践安排为主线进行调查，在对存在问题进行深入分析的基础上，提出以创新和实践能力为培养目标的实践能力培养平台的建设思路［8］.桂琼等从教育理念、课程体系、深度学习及产学研合作4个维度对物联网工程人才培养模式进行研究［9］.Wang等以实验课程为案例，针对实验课程存在的问题，提出介绍、示范、研究以及评估为主线的教学方法，以及以主题、工作成果、书面报告为主体的评价标准［10］.吴贤文等针对人才培养创新能力较低等问题，通过建立教改实验班、创新教学组织形式、理顺协同培养机制等措施，丰富创新人才协同培养理论，取得较好的改革成效［11］.仝月荣等以上海交通大学学生创新中心为例，介绍创新中心与产业界开展具有广度和深度的合作，引进产业资源完善各教学环节，有效地提高了学生的创新能力，形成了面向新工科的良性互动的创新人才培养模式［12］.

1 存在问题

1.1 教师专业背景复杂

作为一个新兴专业，大部分高校在组建物联网工程专业时，由于缺少物联网专业方面的教师，只能将研究背景相近的教师“拼凑”在一起，形成物联网工程专业教学团队.专业教师背景的复杂性会带来一些问题：首先，不同背景教师对物联网专业的理解不同，会造成培养目标不明确、不统一的现象；其次，不同背景教师在教学侧重点不一样，如软件方向的教师会将教学重点集中在软件开发上，对学生硬件开发能力的要求较低；再次，不同背景教师在课程之间衔接会出现偏差，如软件方向的教师不能深入理解硬件方向教师的需求.总之，结合物联网项目需求，在教师专业背景复杂的客观条件下，是物联网工程人才培养模式改革需要重点探讨的问题.

1.2 课程没有主线

物联网工程是一门新兴的综合性较强的交叉学科，涵盖的范围较广.部分物联网工程专业教师由于没有深入企业开展物联网类项目研究，对物联网工程的教学和科研工作理解不够充分，培养目标不够明确，制定人才培养计划时没有根据人才培养核心能力理清各门课程的逻辑关系. 课程主线不明显，会使学生在学习过程中无所适从，不知道如何规划大学4年的学习方向，缺乏针对性.按物联网项目需求提升教师对物联网专业的认识，梳理课程主线，使学生明确学习目标，提升学生的核心能力和就业竞争力是物联网工程人才培养模式改革急需解决的问题.

1.3 理论知识多而杂

理论教学是物联网工程专业必不可少的环节，扎实的理论基础是学生向更高层次发展的必要条件.随着计算机、自动化、电子信息等方面日趋发展，物联网工程的理论广度和深度也在不断增加［13］.物联网工程专业的学生要学习的理论知识也越来越多.在教学过程中，教师都较注重理论知识概念方面的传授，忽视理论的应用方面.学生在学习过程中会发现学了很多理论知识，但对理论知识的遗忘率较高，不知道使用什么理论和怎么使用理论解决问题.此外，教师在教学的过程中太过强调理论概念的重要性，没有认真梳理理论在物联网工程专业人才培养核心能力培养上起到的作用，学生学习起来感觉重点不突出、主线不明确.如何根据物联网项目的需求组织理论教学，理清理论知识的重点和难点，让学生在掌握理论的基础上提高理论应用能力，是物联网人才培养模式改革需要解决的问题.

1.4 学生工程实践能力弱

工程实践能力是用人单位对学生核心能力着重要求的一项重要指标，也是学校教学成果的综合体现［14-15］.物联网专业毕业生存在工程实践能力较弱的问题，以某高校为例，主要由以下原因导致：首先，实验教学环节设置较为分散，每门课程设置独立的实验课，较少从项目的角度出发考虑课程与课程之间的联系；其次，实验课程大多采用传统的方法进行教学，即让学生“听口令，做动作”，学生只是机械地重复教师的动作，并没有深入思考“为什么要这样做，这样做有什么用”等问题；再次，由于学生缺乏系统的专业训练，在实践实训课程中难以综合所学知识进行实验，导致实践实训效果不理想；最后，在毕业设计环节时，部分学生会“七拼八凑”地完成毕业设计，反映出学术素养不高、动手能力差等问题.如何根据物联网项目的需求改进实验实践环节，提高学生的工程实践能力，是物联网人才培养模式改革需要解决的问题.

2 对策与方法

笔者针对物联网工程人才培养模式存在的问题，结合“新工科”和“应用型本科”的要求，以“工程教育认证”要求的学生核心能力为准绳，进行了一系列人才培养模式的改革尝试.通过与物联网相关企业展开深入的合作交流，掌握物联网人才需求的动态，根据需求制定人才培养计划和开展教学活动，提出了一种“靶向目标人才培养法”的物联网人才培养模式（见图1）.

图1 靶向目标人才培养法

物联网工程专业课程可分为理论教学环节、实验教学环节、综合实践实训教学环节和毕业设计环节，每个环节的培养的核心能力培养的侧重点不同.在理论教学环节，在学生掌握基本理论的基础上，侧重于培养学生的理论应用能力；在实验教学环节，在使实验课程统一到一条主线的基础上，侧重于培养学生的发现问题、分析问题和解决问题能力；在综合实践实训环节，侧重于培养学生的项目组织能力、项目推进能力和团队协作能力；在实习与毕业设计环节，侧重于提高学生的学术素养、综合能力、创新能力和自我发展能力.从图1可以看出，外环是对内环的支撑，理论教学环节支撑实验教学，实验教学支撑综合实践实训教学，综合实践实训教学支撑毕业设计，靶心是人才培养的总目标——培养综合能力强，具备创新与自我发展能力的物联网工程专门人才.经过开展研究和实践，主要措施有几个方面.

2.1 组织教师培训

实地走访调研了多家物联网相关企业，并与其中7家规模较大企业开展实际项目合作.从业务角度上来看，这些企业可分为3种类型，分别是物联网技术培训企业、物联网设备制造企业及物联网产品集成和应用企业.对于物联网技术培训企业，定期派遣教师到企业参加培训，了解物联网技术的最新动态，学习最新的物联网技术作为知识储备.对于物联网设备制造企业，与这些企业开展项目合作，使教师在研发过程中深入研究物联网的相关技术，积累研发经验，将企业研究项目带入教学过程中，形成教学材料.对于物联网产品集成和应用企业，教师带领学生参与企业应用类项目，拓广教师对物联网行业的理解，并收集教学材料，完善人才培养方案.通过与企业的交流，使不同专业背景教师对物联网专业的内涵有更深入的见解，使教师深入了解物联网行业关注什么问题，需要解决什么问题和如何解决问题.

2.2 梳理课程主线

对收集的项目案例进行研究，将这些案例所涉及的相关技术进行了归纳和总结，理清这些技术对应的课程情况，进而根据研究结果进行课程设置.

以智能农业系统项目为例，系统涵盖了感知层、网络层、应用层、智能决策层等（见图2）.感知层负责传感器信号的获取和处理，主干课程为“传感器原理与应用”“嵌入式系统开发”“单片机原理”“接口技术”与“Zigbee与RFID技术应用”等.网络层负责数据的网络传输与数据存储，主干课程为“计算机网络原理”“数据结构”“数据库开发”与“JAVA语言程序开发”等.应用层负责用户交互，主干课程为“QT程序设计”“Web前端应用开发”与“移动应用开发”等.智能决策层的作用是对收集的数据进行智能分析，形成智能决策，主干课程有“Python语言程序设计”“人工智能基础”与“大数据基础”等.从项目需求出发进行课程设计，可以使物联网教学有一条清晰的思路，使教师明确该教什么，学生明确该学什么.

图2 智能农业系统

2.3 调整教学和实践课程结构

理论教学是物联网专业教学的基础，面对日趋发展的物联网技术，从收集的项目案例出发，凝练各门课程的重点理论，调整理论深度和广度，增加理论应用部分的内容.若学生仅在书本上学过某理论而没有在实际应用中使用过该理论，学生对该理论的理解是相当肤浅的，遗忘率较高；反之，如果学生在学习某理论前，教师在课堂上先给学生展示该理论在工程应用中的应用，再引导学生进行学习，在实践项目中使用该理论，学生才能真正掌握该理论，使理论成为解决问题的工具.

以“Zigbee与RFID技术应用”课程为例，传统的教学计划是将Zigbee和RFID分别开课，且大部分在讲解较底层原理，如信息编码、调制解调、通信校验和通信的物理学原理等.作为电子信息专业学生，学这些内容无可厚非，但作为物联网专业学生，这些内容在实际项目中作用不大.笔者对该课程进行了改革，删减部分底层理论教学，增加应用部分教学，使学生知道这些技术该如何运用，如何实现信号的获取、处理与传输，明确了学生的学习目的，并取得了较好的改革效果.

2.4 注重教学的实验针对性，强调开放性和实用性

在实验教学环节，紧扣项目需求和理论基础设计实验内容.对课程实验的设置，充分考虑项目需求，尽量做到每个课程实验都是项目中的子问题，在实验过程中培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力.对于综合实践实训环节，采用PBL（Project-Based Learning）教学法，要求学生4~5人为一组，合作完成综合性的项目内容［16］. PBL将教学过程分为4个阶段，分别是启动阶段、计划阶段、执行控制阶段和收尾阶段，教师在实践环节扮演类似产品经理的角色.在启动阶段，学生自拟候选项目选题，教师组织“头脑风暴”讨论，确定选题.在计划阶段，在教师的指导下由学生自主确定人员分工和项目计划.在执行控制阶段，由学生自主完成项目作品，全程教师参与讨论.在收尾阶段，学生进行成果展示和现场答辩，教师对作品进行评价.在经过综合实践实训后，学生的动手能力、项目管理能力和团队协作能力均能得到提高.

2.5 毕业设计环节，以产品级作品为目标

在毕业设计环节，主要有开题设计、中期检查、毕业设计撰写和答辩等阶段.开题阶段，主要工作有选题、开题报告答辩等内容.选题大多来自企业项目，项目组对选题有几个要求：（1）选题必须能综合反映4年所学内容；（2）选题必须达到一定的工作量；（3）选题必须根据客观情况难易适中；（4）选题要鼓励创新；（5）以产品级作品为目标.开题报告答辩由校内教师与企业工程师共同参加，从学生选题的科学性、前期工作情况、项目规划的合理性给出建议.中期检查由教师和企业工程师对毕业设计的进度进行检查，帮助学生分析问题和难点，引导学生掌握解决问题的方法.毕业设计撰写阶段，教师对设计的规范性、结构、逻辑、技术细节表述等方面进行严格把关，重点培养学生的科学素养和文档能力.在答辩阶段，由教师和企业工程师进行考核，一方面从产品的角度考查系统的完整性和系统功能，另一方面考核毕业设计撰写的规范性、科学性和严谨性.

从企业项目需求出发，对物联网专业的课程主线进行了梳理，并在理论教学、实验教学、综合实践实训教学、毕业设计等环节进行改革，取得了一定的成果.此外，上述环节的教学效果输出也对教学改革产生反馈.所以整个教学改革是个不断优化和迭代的过程.

在改革成效方面，笔者挑选了某高校物联网工程专业2017级A班作为人才培养模式改革试点班，以项目需求为出发点开展教学.教学期间，学生参与并完成了包括智能农业、智能家居、智能门锁等企业项目6项，在科技作品、创新创业类比赛中获得省级以上奖项5项，与教师合作发表论文4篇、申请发明专利5项.截至2020年6月，该班就业率达96.66%，其中包括腾讯、百度、盛大网络、普渡机器人等知名企业.

3 结语

针对物联网工程专业人才培养存在的问题，提出了一种面向企业需求的物联网工程人才培养模式.在“靶向目标人才培养法”的框架下，对理论教学环节、实验教学环节、综合实践实训教学环节和毕业设计环节进行了一系列的改革.改革成果表明，提出的方法符合社会对应用型物联网人才提出的要求，有效提高了学生的就业竞争力.

在今后的研究中，将继续完善人才培养模式，比如将课堂思政、实验室建设纳入研究体系中，进一步提高人才培养质量.此外，将致力于研究成果推广，以期使研究成果对其他专业起到辐射作用.